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搅拌摩擦焊焊接工装设计

法之。由于搅拌摩擦焊焊缝组织均匀接头力学性能优异，生产过程中安全无飞溅无烟尘烟气无辐射，污染小成本低等技术优势，因而在许多工业领域获得了广泛应用。在航天工业中，搅拌摩擦焊工艺在飞行器铝合金结构制造中的推广应用，在国外已显示出强劲的技术创新活力，给传统制造工艺带来了革命性的改造。随着人们对搅拌摩擦焊技术认识的提高，预计在不远的将来，铝合金镁合金锌合金钛合金等轻金属材料的连接将主要由搅拌摩擦焊来完成，尤其在运载火箭高速铝合金列车铝合金高速快艇全铝合金汽车等项目中搅拌摩擦焊技术将会占主导地位。本文设计出的搅拌摩擦焊焊机，总功率约千瓦，适合于普通厚度的铝及其合金的工艺试验试件的焊接，搅拌摩擦头转速约，焊接速度，最大加工焊缝厚度，焊缝长度。文中介绍了搅拌摩擦焊焊接技术的基本原理和特点，概要地介绍了搅拌摩擦焊的技术优势研究现状工业应用和发展前景。针对工艺试验试件搅拌摩擦焊机，主要设计计算和校核了设备各主要部分，均能够满足试验用焊机的要求。该设备结构紧凑，简单，操作方便，与市场价格相比，成本很低。关键词搅拌摩擦焊固相焊接铝合金焊接应用前景焊机设计绪论搅拌摩擦焊是由英国焊接研究所，简称于年提出的种固态连接方法,并于年和年在世界范围内的发达和发展中国家申请了知识产权保护。此技术原理简单，且控制参数少易于实现自动化，可将焊接过程中的人为因素降到最低。搅拌摩擦焊技术与传统的熔焊相比，拥有很多优点，因而使得它具有广泛的工业应用前景和发展潜力。有关搅拌摩擦焊接头的组织力学性能包括断裂疲劳腐蚀性能无损检测以及工艺参数对焊缝质量的影响等的研究是推广应用搅拌摩擦焊的基础，有关这些方面的研究是这个领域的研究热点。搅拌摩擦焊技术是年代发展起来的自发明到工业应用时间跨度最短和发展最快的项神奇的固相连接新技术。截止年月日，世界范围内得到英国焊接研究所搅拌摩擦焊专利技术许可的用户己经有家，与搅拌摩擦焊技术相关的专利技术有项。著名的等公司购买了此项技术，并已大量的在航天航空车辆造船等行业得到成功地应用。．搅拌摩擦焊简介搅拌摩擦焊原理及工艺图搅拌摩擦焊原理图搅拌摩擦焊的焊接原理如图所示。置于垫板上的对接工件通过夹具夹紧，以防止对接接头在焊接过程中松开。个带有特型搅拌指头的搅拌头旋转并缓慢的将搅拌指头插入两块对接板材之间的焊缝处。般来讲，搅拌指头的长度接近焊缝的深度。当旋转的搅拌指头接触工件表面时，与工件表面的快速摩擦产生的摩擦热使接触点材料的温度升高，强度降低。搅拌指头在外力作用下不断顶锻和挤压接缝两边的材料，直至轴肩紧密接触工件表面为止。这时，由旋转轴肩和搅拌指头产生的摩擦热在轴肩下面和搅拌指头周围形成大量的塑化层。当工件相对搅拌指头移动或搅拌指头相对工件移动时，在搅拌指头侧面和旋转方向上产生的机械搅拌和顶锻作用下，搅拌指头的前表面把塑化的材料移送到搅拌指头后表面。在搅拌指头沿着接缝前进时，搅拌焊头前头的对接接头表面被摩擦加热至超塑性状态。搅拌指头和轴肩摩擦接缝，破碎氧化膜，搅拌和重组搅拌指头后方的摩碎材料。搅拌指头后方的材料冷却后就形成焊缝，可见此焊缝是在热机联合作用下形成的固态焊缝。这种方法可以看作是种自锁孔连接技术，在焊接过程中，搅拌指头所在处形成小孔，小孔在随后的焊接过程中又被填满,应该指出，搅拌摩擦焊缝结束时在终端留下个匙孔。通常这个匙孔可以切除掉，也可以用其它焊接方法封焊住。在焊接过程中主要的产热体是搅拌指头和轴肩。在焊接薄板时，轴肩和工件的摩擦是主要的热量来源。搅拌摩擦焊焊接工艺参数主要有搅拌指头的焊接速度搅拌指头的旋转速度以及压紧力。这些参数决定了焊接过程中搅拌指头周围产生的热量，并且直接影响到焊缝的组织和性能。搅拌头搅拌头是搅拌摩擦焊机上中最重要的构件之。它般由耐高温抗摩损材料制成，主要包括特形指头和轴肩两部分。在焊接过程中轴肩与被焊材料的表面紧密接触，防止塑化金属材料的挤出和氧化，同时搅拌轴肩还可以提供部分焊接所需要的搅拌摩擦热。搅拌指头的形状比较特殊，焊接过程中搅拌指头要旋转着压入被焊材料的结合界面处，并且沿着待焊界面向前移动。搅拌头的材料般用合金工具钢，现有科学研究人员对搅拌头进行表面处理的实验研究，涂层具有优于等涂层的机械物理性能，并可与其它涂层配合组成多元多层复合涂层。在制造业中的切削试验及加工实践表明，采用涂层处理的刀具钻头的表面化学稳定性好，抗氧化磨损能力强，高速焊接铝合金材料时，其工作寿命可比普通合金工具钢搅拌头提高倍，降低搅拌摩擦焊的加工成本，提高经济效益。随着搅拌摩擦焊技术的发展，英国焊接研究所研制的“艺术阶段”的和系列搅拌头可以在毫米厚的铝合金挤压型材上连续焊接上千米长的焊缝而不用更换，并且可以得到性能优良的焊缝。利用搅拌摩擦焊技术焊接薄板零件时，搅拌头的肩部与工件表面摩擦产生的热量是金属热塑化所需能量的来源。对于厚板的搅拌摩擦焊来说，要得到优良的焊接接头，随着板厚的增加，搅拌头与工件之间需要提供更多的热来保证搅拌头附近区域金属的热塑化，同时，搅拌头还需要确保焊接区域金属材料的搅拌激活以及控制塑化金属的流变转移来形成合格的固相焊缝。总之，搅拌头是搅拌摩擦焊技术中“心脏”。搅拌摩擦焊材料搅拌摩擦焊的焊接温度低于材料的熔点，焊接过程中始终没有材料熔化，所以搅拌摩擦焊是种固态连接方法。基于搅拌摩擦焊焊接过程中不存在材料熔化的特点，搅拌摩擦焊几乎可以焊接所有系列的铝合金材料及铝基复合材料。对于传统焊接方法较难焊接的和系列高强度铝合金材料，也可实施可靠连接。另外，对于异种材料的搅拌摩擦焊也具有优越性，如搅拌摩擦焊不仅可以实现以及等不同牌号铝合金材料的焊接，还可以实现铜合金和铝合金等不同种材料的焊接。搅拌摩擦焊还可以焊接铜镁锌铅等合金材料，对于钢合金钦合金和铝基复合材料的搅拌摩擦焊开发研究也很成功。对于不同状态的合金钢，搅拌摩擦焊也能实现焊接，如锻压板材和挤压形材的焊接，锻压板材和铸铝的焊接等。接头性能搅拌摩擦焊接头主要包括四个微结构区域焊核区热机影响区热影响区和母材。中间区域为晶粒非常细小的焊核区域，其中椭圆形的“洋葱”环状组织结构是焊接接头良好的标志在焊核区的外围存在个热机影响区，此部分晶粒组织发生了明显的塑性变形和部分重结晶。对于不可热处理强化的铝合金，采用搅拌摩擦焊可以得到没有空洞和裂纹的优良焊接接头，接头的拉伸强度般大于或优于母材，并且断裂般出现在热影响区和远离焊缝接头的母材上对于可热处理强化的铝合金，搅拌摩擦焊接头的力学性能优于弧焊接头。另外，通过控制搅拌摩擦焊过程中焊缝区域的热输入，特别是控制搅拌摩擦焊接头中硬度和强度最低的热影响区的回火和过时效影响，可以有效地提高焊接接头的力学性能指标。与熔焊方法相比较，铝合金材料的搅拌摩擦焊接头的疲劳性能具有明显的优势，这是因为搅拌摩擦焊得到的是精细的再结晶组织。另外，由于焊接过程材料没有熔化，焊缝组织中不会有熔焊工艺经常出现的凝固偏折裂纹气孔和夹杂等缺陷。．搅拌摩擦焊的技术优势搅拌摩擦焊除了具有普通摩擦焊技术的优点外，还可以进行多种接头形式和不同焊接位置的连接。如图所示。图几种搅拌摩擦焊的接头形式采用搅拌摩擦焊技术不仅能焊接几乎所有熔焊能够焊接的金属，而且能焊接许多熔化焊接性能差的金属，例如铝合金钛合金铜合金等。就铝合金而言，铝合金在高温熔化时易吸附氢导致凝固后产生气孔，容易产生热裂纹和变形，因此焊接缺陷率高，并且随着铝合金中合金元素含量的增加，这些焊接缺陷率会大大增加。若是采用搅拌摩擦焊，则因为焊接过程中无金属熔化而克服了上述缺点，因此搅拌摩擦焊可以使不适宜于熔焊的金属得到可靠的连接。此外，搅拌摩擦焊不仅能用于同质合金间的连接，而且还适用于异质合金间的连接。图搅拌摩擦焊焊缝分区示意图采用搅拌摩擦焊取代传统的熔焊，还能改善焊缝组织和大大提高焊接接头的力学性能，并且排除了熔焊缺陷产生的可能性。搅拌摩擦焊焊缝组织分区示意如图所示，焊缝组织可分为四个区域区为母材区，简称区为热影响区，简称，该区域的材料因受热循环的影响，微观组织和力学性能均发生了变化，但没有发生塑性变形区为热变形影响区，简称，该区域材料已经产生了剧烈的塑性变形。就铝合金而言，再结晶区域和之间通常有明显的界限，但在其它没有热致相变的材料中，如在纯钛钛合金奥氏体不锈钢和铜中，似乎整体已再结晶化，产生了无应变再结晶，这可能使得的边界难以精确划分区为焊核，简称，焊核是最接近轴肩的区域，组织结构通常有较大的变化。在焊接接头的热影响区中，除了腐蚀反应比母材快些外，其金相组织与母材没有多大区别在焊接接头的热变形影响区，焊接过程引起长晶粒的弯曲和轻微的重结晶焊核由纤细的经动态再结晶的等轴晶构成，其晶粒尺寸比母材的晶粒尺寸小得多。铝合金的搅拌摩擦焊实验表明，焊缝最薄弱的环节不在焊核区，而是在热影响区。经过固溶处理和人工时效处理的系列系列铝合金的搅拌摩擦焊焊缝，经过时效处理后，其强度接近于基体材料的强度。．搅拌摩擦焊的研究现状搅拌摩擦焊工艺最初主要用于解决铝合金等低熔点材料的焊接，关于搅拌摩擦焊工艺的特点和应用等，进行了较多的研究，并于年年申请了专利。目前，主要是与航空航天海洋道路交通铝材厂焊接设备制造厂等大公司联合，以团体赞助或合作的形式开发这种技术，扩大其应用范围。他们正在进行的由工业企业赞助的研究项目包括钢的搅拌摩擦焊汽车轻型构件的搅拌摩擦焊等。美国的爱迪生焊接研究所，简称与密切协作，也在进行工艺的研究。美国的美国洛克希德•马丁航空航天公司马歇尔航天飞行中心美国海军研究所大学德克萨斯大学阿肯色斯大学南卡罗里纳大学德国的大学澳大利亚的大学澳大利亚焊接研究所等都从不同的角度对搅拌摩擦焊进行了专门研究。从材料焊接角度，目前研究较多的是铝合金的焊接。铝合金是种高比强度的材料，将其用于飞机汽车船舶等结构中，可以减轻这些结构的重量，提高它们的综合性能。但是，由于其熔点比重较低，热传导系数大，熔焊时易产生气孔裂纹变形等缺陷。同时，由于焊接加热使其性能降低，故铝合金零件的连接多用铆接或机械连接，因此，限制了铝合金在飞机汽车船舶等结构中的应用。利用搅拌摩擦焊技术，可以克服熔焊时的缺陷，且焊接接头的性能不会降低。搅拌摩擦焊接材料研究目前应用成功连接的材料有合金，合金，铅，锌，铜，不锈钢，低碳钢等同种或异种材料。等人进行了铝合金的焊接研究，对，镁合金同种和异种材料之间进行了焊接试验，证明可以应用连接镁合金。不仅对系列铝合金成功连接，而且也实现了对高熔点材料合金的连接。于年月报道成功焊接厚的低碳钢，于年月报道成功连接软钢，并报道厚不锈钢的焊接。由此可知，随着焊接工具的发展，可以应用于更多的材料的连接。搅拌摩擦焊机理研究进展目前研究的重点大多集中于研制适用于不同材